《采矿技术新发展》PPT课件

1,采矿技术新发展,中国矿业大学,2,主要内容1、动压巷道围岩稳定理论与控制技术2、沿空留巷围岩控制原理与技术3、绿色充填开采理论与技术,3,1动压巷道围岩稳定理论与控制技术1.1概述1.2巷道围岩塑性区分布1.3巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升1.4动压巷道底鼓机理1.5沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理1.6动压巷道围岩控制技术的基本途径,4,1.1概述动压巷道：受采动支承应力作用的巷道。占煤矿巷道80以上。岩性：围岩松软、分层性质显著，强度小（特别两帮）。应力：侧向支承应力，超前支承应力一次、多次采动影响应力集中系数28。维护十分困难、制约矿井高产高效和经济、社会效益，威胁矿井安全。矿井开采理论和技术的难点和重点。,5,1.2巷道围岩塑性区分布,6,1.2巷道围岩塑性区分布,(a)实体煤巷道；(b)煤柱巷道；(c)沿空巷道；(d)无直接顶、底的煤柱巷道。分布状态：(a)“”型；(b)、(c)半“”型；(d)缺上（或下）的半“”型。与圆形巷道、基本巷道分布状态不同，是研究动压、软岩巷道矿压的基础。,7,1.3围岩不均匀整体下沉和局部上升,大面积开采，采动支承应力和不同护巷方式引起。,相似材料模拟试验结果u1、u2、u3、u4、u5下沉曲线D1、D2、D3破断曲线,8,1.3围岩不均匀整体下沉和局部上升,9,1.4动压巷道底鼓机理1.4.1机理巷道两帮下沉引起底鼓。两帮下沉、底角破坏，水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板下沉、离层。,（a）（b）两帮下沉与底鼓关系（a）东庞矿（中硬岩）；（b）黄塘岭矿（软岩）,10,图3巷道底板深基点位移,图4巷道底板垂直位移No零位移点；N零应变点,权台矿现场实测浅部鼓起，深部下沉；与采煤工作面距离不同而变化。,11,（1）力学计算Q(y)作用下M点的位移根据弹性力学理论，平面应变条件下的半无限平面体，Q(y)dy载荷作用下M点的垂直位移分量dux,力学计算简图,12,Q(y)作用下，M点的垂直位移ux等于上式在a,b区间上的积分。,13,（2）煤柱巷道底板等效载荷分布,煤柱巷道底板等效载荷分布简化的载荷分布,14,（3）底板中心线上的垂直位移,各区段分布载荷在巷道底板中心线上引起的垂直位移,巷道底板中心线上总的垂直位移,15,1.4.2加固两帮和底角控制巷道底鼓（1）锚杆加固两帮、底角,16,试验效果对比,17,（2）注浆加固权台矿注浆孔布置注浆材料、工艺、费用材料：ZKD高水速凝材料，水灰比1.81注浆压力：0.10.15MPa材料费用：13.83元/m,18,注浆效果权台矿注浆前、后对比,显德汪矿注浆效果,19,（3）打底板锚杆控制底鼓,20,1.5沿空巷道围岩大、小结构稳定性原理大、小结构概念大结构：包括直接顶（顶煤）、老顶及其上载荷岩层的结构。小结构：锚杆支护与围岩形成的锚固体。,21,大结构的稳定性分析,沿空掘巷与上覆岩层的结构关系,22,三角块受力分析图,23,三角块结构失稳的方式主要有2种，即滑落失稳和转动失稳。引入三角块结构稳定性系数的概念，将A、B岩块之间的摩擦力与三角块结构的剪切力RAB之比定义为滑落稳定性系数K1；A、B岩块之间的挤压应力与A、B岩块接触处的有效抗压强度之比定义为转动稳定性系数K2，即:,24,掘巷前、掘巷后：三角块结构均保持稳定。采动影响期间：三角块结构的回转下沉是沿空巷道围岩大变形的主要原因之一；随采高增加，沿空掘巷维护难度增加，大采深时应防止发生回转失稳，在煤软、大采深时应防止发生滑落失稳。,25,小结构的稳定性分析1）沿空侧护巷窄煤柱的宽度,式中：x1因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区，其宽度为：,x2巷道窄煤柱一帮锚杆有效长度，m；x3增加的煤柱稳定性系数，按0.2（x1+x2）计算,26,2)强化围岩强度，确定锚杆支护强度必须保证足够的锚杆初锚力与支护强度，强化围岩强度后使小结构能在大结构回转下沉影响下保持围岩稳定。3）综放两道围岩变形规律,27,掘巷期间,工作面前方10m处,综放沿空掘巷支护效果,28,1.6动压巷道围岩控制的基本途径,1.6.1影响巷道围岩稳定性的三大因素围岩强度、岩体应力、支护技术1）前苏联阿尔达晓夫、巴仁根据巷道垂直应力H与底板单轴抗压强度R的比值作为判断巷道是否底鼓的准则：,稳定的（不底鼓）：,中等稳定（有底鼓）：,不稳定（强烈底鼓）：0.6,我国矿井巷道的极限深度,3）支护技术从轴对称圆巷的弹塑性分析卡斯特纳方程中可以看出：由于支护反力P的作用，加大了塑性区应力而减小了塑性区半径。,30,1.6.2基本途径,（1）提高围岩强度布置在稳定岩层中；布置锚杆，强化围岩强度；围岩注浆，提高岩体强度；封闭、疏干、防风化，防止围岩碎裂、强度降低（2）减小岩体应力合理布置巷道：时间、空间上减少巷道承受支承压力影响，巷道布置在应力降低区；合理设计煤柱尺寸；考虑最大水平应力的影响应力转移（巷道卸压）：跨采进行巷道卸压；开槽卸压；震动爆破卸压；布置卸压峒室卸压,31,1.6.2基本途径,（3）巷道支护巷道金属支架作用：给围岩提供支护阻力；当前注意：可缩性支架的使用界限、连接件、矿工钢可缩支架、支架壁后密实。锚杆支护作用：强化围岩强度；围岩强度强化理论、高强（超高）强度锚杆、设计方法、复杂条件下的锚杆支护。,32,锚杆支护强度强化理论,锚杆与围岩相互作用，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰值强度和残余强度，特别是残余强度的提高，有效提高围岩的自承能力，控制围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由不稳定状态向稳定状态转变。,33,锚固体C、C*、*随锚杆支护强度t的增加而提高。,不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、值,不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、*值,34,图锚固体应力应变曲线图注：曲线上数字为锚杆支护强度t（MPa）,锚固体强度随锚杆支护强度t的提高而得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。,锚固体1、1*的表达式：,式中：1锚固体极限强度，MPa，1*锚固体残余强度，MPa。t锚杆支护强度，MPa提高支护强度t，可使C、C*、*提高；它们的提高，使1、1*显著增强。,锚杆支护作用的实质就是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固体的力学参数，使锚固体的强度得到强化，特别是峰后强度和残余强度的强化大于极限强度的强化，这就是锚杆支护在破碎围岩中的作用原理。随着锚杆支护强度的提高，锚固体强度强化到一定程度，巷道围岩就能够保持稳定。,35,锚杆支护的关键技术及主要参数,尽可能提高锚杆的初锚力（预应力）。足够的锚杆支护强度。满足工程需要的锚杆长度。及时锚固,预应力10kN,预应力80kN,在高预应力下，锚杆支护产生的附加应力场形成的压应力区范围广，有效压应力区几乎覆盖了整个顶板，锚杆的主动支护作用得到充分发挥。,初锚力锚杆主动支护的体现，尽早控制锚固区内的离层，控制围岩变形。,正常条件下的初锚力：由钻机性能、风压、施工质量决定，争取20kN。用预紧扳手，初锚力可达到4050kN，巷道围岩变形减少1/22/3。,预紧扳手,锚杆支护强度,由单根锚杆破断载荷和支护密度决定。单根锚杆破断载荷主要由材质、直径决定，也与加工质量有关。单杆锚杆杆体破断载荷必须与锚杆锚固力、托盘强度、螺母强度协调一致。锚杆锚固力由锚固剂与钢筋、钻孔壁的粘结强度和锚固剂强度决定。锚杆间排距尽可能加大，以节省材料，加快掘进速度。,锚杆初锚力与支护强度的合理性,综放沿空掘巷锚杆初锚力与支护强度,初锚力与顶板下沉量关系,锚杆支护强度与顶板下沉量的关系（兖矿兴隆庄矿）,发展高（超高）强度锚杆的理论依据锚固体1、1*的表达式：式中：1锚固体极限强度，MPa，1*锚固体残余强度，MPa。提高t，可使C、C*、*提高；它们的提高，使1、1*显著增强；发展高（超高）强度锚杆，才能提高t和保持围岩的稳定。为了提高t，中国矿业大学研制了新型锚杆材料，其s1000MPa；b1300MPa；s15%。,锚杆长度,锚杆长度决定加固锚固区范围；围岩条件困难、复杂，锚固区需要加大，则需加长锚杆。锚固端部锚固区域尽可能在巷道破碎区范围以外。锚固区外部附近有离层尽可加长锚杆加以控制。,及时锚固,控制迎头悬顶面积和时间，随掘随锚，尽可能减小掘后离层。,44,1.6.3巷道布置,从巷道围岩稳定角度来谈布置。要保持围岩稳定，布置巷道时应考虑围岩强度与岩体应力。,45,1.6.3巷道布置,采动引起的应力重新分布,已采区及其两侧煤柱的应力分布冒落带；裂隙带；弯曲下沉带；A原始应力区；B1、B2应力增高区、C应力降低区；D应力稳定区,46,留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布,47,煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布上覆岩层容重；H埋藏深度：底板岩石应力升高区的扩展影响角；Z被跨巷道与上部回采煤层间的法线距；X-被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距,48,巷道布置的原则1）空间上尽量避免支承压力的强烈影响、叠加影响和多次影响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。2）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。3）采用无煤柱开采，必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件尽可能小。4）如果需要留煤桂保护巷道，所留护巷煤柱尺寸应使巷道不受支承压力影响或影响较小。5）避免在煤柱上、下方布置巷道。合理选择底板岩巷与煤柱边缘的水平距离X、与煤层垂直距离Z。6）在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。7）巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与之垂直。,49,注浆材料（1）材料类别化学类：丙烯酰胺类、聚氨脂类水泥类：单液水泥浆；水泥、水玻璃双液浆；ZKD高水速凝材料（双液或单液）,1.6.4注浆加固围岩,50,结晶水体积比占81.6%，再吸附大量水，水体积比达到90%（重量比2.5:1）。速凝早强，水灰比高；结石率高（100%），不淅水，强度高;当水灰比1.5:1时，ZKD强度9.514.0MPa；水泥浆淅水率65%，强度4MPa；固结体塑性好，高水条件下微膨胀；空气中易风化失水（注入岩体、水中、或密封，防风化）,（2）ZKD高水速凝材料机理：硫铝酸盐水泥熟料、石灰、石膏、若干种添加剂水化生成钙矾石,51,水泥浆液和高水材料的性质与水灰比的关系,52,单轴条件下固结体试块变形曲线,53,不同围压条件下固结体应力应变曲线12345分别代表围压为0.13、0.26、0.38、0.50、0.75MPa时的曲线,54,1）围岩松软破碎、随掘随冒时使用；2）超前迎头钻孔注浆；3）地应力特别大时难以注入。,注浆时机（1）超前注浆,55,围岩裂隙发展变慢前后或进入掘后稳定期不久,岩石变形与渗透关系曲线,权台煤矿3116上分层回风平巷掘头后方巷道围岩裂隙分布,（2）围岩滞后注浆,56,2、沿空留巷围岩控制原理与技术,2.1国内外研究现状2.2沿空留巷巷旁支护机理2.3高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技术2.4沿空留巷巷内支护技术2.5高水速凝材料巷旁充填沿空留巷实例,57,2.1沿空留巷国内外研究现状,沿空留巷极大缓解采掘接替紧张的状况，提高资源采出率，实现Y型通风、解决煤与瓦斯突出开采难题，是煤矿开采及回采巷道布置技术的一项重大改革。过去我国巷内使用被动金属支架，加以煤矿经济困难，沿空留巷发展缓慢。,Y型通风系统,59,留巷钻孔向上远程卸压煤层抽采解吸瓦斯,卸压煤层,20150m,充填墙体,2、3#钻孔,Y型通风回风巷,60,进风巷,下卸压层B7,下卸压层B6,开采层B8,Y型通风回风巷,充填墙体,4、5#钻孔,留巷钻孔向下远程卸压煤层抽采解吸瓦斯,61,沿空留巷巷旁支护是关键。传统的巷旁支护如矸石带、密集支柱、木垛等普遍存在增阻速度慢、支承能力小、压缩变形量大、密闭性能差、劳动强度大，力学性能与沿空留巷围岩变形不相适应等缺点，不利于沿空留巷维护和防止采空区漏风、煤层自燃，沿空留巷效果不好，适用于薄及部分中厚煤层。,62,高水速凝材料具有支护阻力大、增阻速度快、适量可缩，巷道维护效果好，机械化整体构筑巷旁支护对采空区密闭性好、劳动强度小、充填工艺及充填设备简单的优点。膏体材料充填沿空留巷在我国处于试验时期，优点是处理了矸石，缺点是充填工艺较复杂、设备投资较大。,63,锚杆支护广泛应用，为沿空留巷创造了较好的支护条件。锚杆支护与巷旁支护共同作用，实现切顶，同时，锚杆支护强化围岩强度、提高围岩承载能力，锚固体形成自稳岩层结构，是较为理想的支护方式。,64,2.2沿空留巷巷旁支护机理,2.2.1巷旁支护体作用机理巷旁支护体应具有足够的支护强度及适量的可缩量。足够的支护强度切落足够高度的顶板岩层，使更上位岩层得到采空区冒落矸石的支撑；适量的可缩量满足上覆岩层的旋转下沉，防止在顶板岩层旋转下沉时巷旁支护体被破坏。,65,2.2.1巷旁支护体作用机理(1)巷旁支护体早期支护直接顶、防止离层，切断采空区的直接顶。（2）老顶破断过程中应达到切顶阻力，切断采空区侧老顶。,（3）巷道围岩运动稳定后，维持巷道上方已切断岩层的平衡。,66,2.2.2沿空留巷力学模型,上区段回采后，基本顶沿倾斜方向破断，在工作面端头形成“三角块大结构”，该结构构成沿空留巷、沿空掘巷的上部边界，对沿空巷道稳定性产生重要影响。,67,2.2.2沿空留巷力学模型,68,2.2.3巷旁支护阻力求解,69,2.3高水速凝材料巷旁充填沿空留巷技术,70,2.3.1高水速凝材料巷旁充填沿空留巷,中国矿业大学承担“七五”、“八五”国家科技攻关项目成果。高水速凝材料（ZKD）：在体积比水占90%，固体占10%条件下，2030min内凝结，100%固化，最终强度达到45MPa。通过调整水灰比或高水速凝材料配比调整充填体的强度，水灰比1.5：1时，充填体强度可以达到10MPa，有效控制采空区顶板、实现沿空留巷。,71,中国矿业大学ZKD高水速凝材料性能水平,72,ZKD高水速凝材料加灰渣的单轴抗压强度,73,2.3.3高水速凝材料巷旁充填工艺（1）分甲料、乙料两部分，按1:1的比例配合使用。甲料、乙料单独与水混合24h不凝结，而一旦相互混合则快速凝结硬化。为防止浆液在搅拌、运输过程中凝结、堵塞管路和泵等设备，需分别搅拌和泵送甲料、乙料。（2）要求甲料和乙料两部分必须等量进浆、混合均匀，其强度才能达到最大。（3）充填系统和充填工艺简单。,74,高水速凝材料巷旁充填沿空留巷特点：浓度小，一般质量浓度33%；高水速凝材料用量少，辅助运输工作量小；固化体有一定的压缩率，适应沿空留巷大变形；快速凝固、增阻速度快，能快速支撑顶板；高水速凝材料用量少，强度较大，沿空留巷成本低，材料费用低于500元/m3；充填工艺简单，由于加水多，易于搅拌，混合均匀，充填体质量有保证；充填系统费用较低，一套设备30万元左右。,75,2.4沿空留巷巷内支护,2.4.1沿空留巷围岩变形规律,沿空留巷围岩变形强烈，尤其底鼓强烈,76,2.4沿空留巷巷内支护,2.4.2沿空留巷巷内支护（1）高强度、大延伸量、树脂药卷加长锚固的锚杆支护（2）锚索加强支护2.4.3巷内加强支护沿空留巷围岩变形强烈的地段在工作面前方20m、后方70100m，尤其是工作面后方50m，巷道变形强烈，需要加强支护。巷内加强支护可以采用单体液压支柱。,77,2.5高水速凝材料巷旁充填实例中国矿业大学成功应用高水速凝材料在徐州庞庄矿东城井炮采工作面、徐州夹河煤矿综采对拉工作面、新汶翟镇煤矿综采工作面等进行了沿空留巷。目前在沁新集团实施高水速凝材料沿空留巷。即将在焦煤集团、窑街煤业集团实施高水速凝材料沿空留巷治理煤与瓦斯突出。,78,1）地点：徐州庞庄矿东城井721炮采工作面。面长130m，采高2.0m，直接顶页岩2.5m，向上3.0m的砂页岩互层。2）巷旁支护体参数：高水速凝材料用量310kg/m3、烟道灰540kg/m3、水670kg/m3，充填体强度：1d3.5MPa、3d4.7MPa、7d5.2MPa、28d6.0MPa，充填体宽度1.5m、1.2m。,79,1）地点：新汶翟镇煤矿1201西工作面，面长155m、走向长1045.6m，采高2.2m，直接顶粉砂岩7m，中间夹一层平均厚0.6m的煤层、老顶为210m的砂岩。2）巷旁支护体参数：采用2种配比，见下表。充填体宽度1.5m，各充填400m。,80,3、绿色充填开采理论与技术3.1绿色充填开采概述3.2绿色充填开采理论基础3.3膏体材料充填开采3.4高水速凝材料充填开采3.5矸石充填开采,81,3.1绿色充填开采概述,采空区垮落造成的危害平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2-0.3公顷，每年新增塌陷地约3-4万公顷。我国的煤炭资源采出率仅为40%左右，“三下一上”（村庄下、道路下、水体下、承压水上）压煤是重要原因。矸石大量堆积，占用土地，污染环境。地下水大量流失。,82,3.1绿色充填开采概述,“高效安全、高采出率、环境协调”绿色开采,83,3.2绿色充填开采理论基础-关键层控制,关键层破断的规律关键层判别方法,揭示了关键层运动对采场矿压显现、岩层移动与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响,84,充填开采控制上覆岩层移动模拟试验,充填开采覆岩状态与下沉,传统垮落法开采覆岩状态与下沉,85,充填开采工作面，在直接顶板主体尚未垮落前进行全部充填，充填体总体三向受压，在服务全过程始终保持完整、稳定。充填开采工作面采空区顶板没有冒落带，只有裂隙带和弯曲下沉带，甚至只有弯曲下沉带，不存在顶板初次来压与周期来压。,充填开采上覆岩层活动特征,86,充填开采工作面前后支承应力分布,87,3.3膏体材料充填开采（中国矿业大学周华强教授）膏体充填的技术优势,（1）膏体充填体压缩率最低，1%左右，减沉效果好。（2）膏体充填煤炭采出率高、适用范围广。（3）膏体充填体密实并有一定抗压强度。（4）膏体充填材料管道输送效率高。（5）膏体料浆不沉淀、不泌水、不离析，管道输送可靠（6）同等强度下胶结料用量少，材料费用低。,88,中国矿业大学在国内率先开展煤矿膏体充填技术研究,充填注浆材料制备实验系统,粗粒料浆充填实验系统,细粒料浆充填实验系统,通过“211工程”建立充填采矿实验室，为煤炭资源与安全开采国家重点实验室的一部分。,89,中国矿业大学开发出PL、SL膏体胶结料,PL膏体胶结料：针对当地没有钢渣等生产膏体胶结料情况而开发的。是一种以普通水泥（熟料）为基材的复合胶结料，其中普通水泥约占50%。SL膏体胶结料：是一种以钢渣等炉渣为基材的复合胶结料。具有可泵时间长、不泌水、早期强度高、亲泥性好等优点，能够满足煤矸石、劣质土、粉煤灰、城市固体垃圾等多种充填材料胶结的需要。,90,膏体充填材料压缩实验结果,泗河砂膏体充填材料全应力应变曲线，轴向应变；，体积应变。,91,太平煤矿膏体充填,92,太平煤矿膏体充填,93,小屯煤矿膏体充填,94,小屯煤矿膏体充填,95,小屯煤矿膏体充填,ZC3800/15.5/28.5型液压充填支架,96,朱村煤矿膏体充填,97,朱村矿膏体充填工艺系统,98,岱庄煤矿膏体充填,99,岱庄煤矿膏体充填,100,岱庄煤矿膏体充填,101,3.4超高水速凝材料充填开采（中国矿业大学冯光明副教授）,超高水充填材